Process Parameters and Geometric Accuracy in Robotic Pellet Extrusion of Wood-Based Polylactic Acid (PLA) Composites

기술 요약: 목재 기반 폴리락틱 산(PLA) 복합재의 로봇 펠릿 압출에서의 공정 매개변수 및 기하학적 정확도

문제 정의
펠릿 압출을 이용한 로봇 대규모 적층 제조(RAM)는 목재 기반 PLA 복합재 제조를 위한 지속 가능한 경로를 제공한다. 그러나 이 특정 재료-시스템 조합에 대한 차원 정확도에 관한 체계적인 데이터는 제한적이다. 필라멘트 기반의 FDM(열가소성 수지 압출 적층 제조)과 달리, 펠릿 압출은 원료 알갱이를 직접 압출하므로 용융 흐름의 불균일성, 수분 민감도, 그리고 로봇의 움직임과 재료 공급 간의 동기화와 관련된 문제를 야기한다. 기존 문헌은 주로 충전재가 없는 열가소성 수지나 필라멘트 시스템에 집중되어 있어, 목재 기반 PLA 펠릿 압출에서 공정 매개변수가 기하학적 충실도에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 이해의 공백이 존재한다. 특히, 안정적 압출과 불안정적 압출 레짐(regime) 사이의 경계, 그리고 로봇 이동 속도, 압출기 회전 속도, 노즐 온도 사이의 상호작용은 아직 충분히 규명되지 않았다.

연구 방법론
본 연구는 두 가지 목재 기반 PLA 등급인 KCL Formi® 3D Nordic Birch PLA-20(셀룰로오스 20 wt%) 및 PLA-10(셀룰로오스 10 wt%)의 공정 윈도우를 매핑하기 위해 일원 배치법(One-Factor-At-a-Time, OFAT) 실험 설계를 채택하였다.

• 시스템: KFM Eco 3D 18 스크류 기반 펠릿 압출기(3 mm 노즐)가 결합된 ABB IRB 1600 산업용 로봇.
• 시편: 시작/종료 시 발생하는 아티팩트를 제거하기 위해 연속 스파이럴 툴패스를 사용하여 24개의 중공 입방체(공칭 크기 100 × 100 × 100 mm)를 출력하였다.
• 매개변수:
  • 로봇 이동 속도 ($V$): 15, 30, 45 mm/s.
  • 압출기 회전 속도 ($N$): 3, 4, 5 rpm.
  • 노즐 온도 ($T$): 150/155 °C에서 180/185 °C(Zone 1/Zone 2) 범위의 네 가지 이산 단계.
• 측정 지표: 기하학적 정확도는 입방체의 높이, 벽 두께, 층 높이에 대해 평균 편차, 평균 절대 오차(MAE), 표준 편차 및 공칭 치수에 대한 백분율 오차를 사용하여 평가되었다.
• 분석: 데이터셋은 안정적 레짐과 불안정적 레짐을 식별하기 위해 분석되었다. 안정적 레짐($V \le 30$ mm/s) 내에서, 피어슨 상관 행렬과 2차 다항식 모델을 개발하여 매개변수 간의 상호작용과 디커플링(decoupling) 특성을 규명하였다.

주요 결과

1. 이동 속도의 지배력: 로봇 이동 속도가 기하학적 안정성의 주요 결정 요인으로 확인되었다. 45 mm/s에서 두 재료 모두 심각한 과소 압출을 경험하였으며, 그 결과 입방체 높이가 공칭 값의 25% 미만(예: PLA-20의 경우 15.47 mm)으로 떨어졌다. 이러한 실패 모드는 재료가 수직 방향이 아닌 측면으로 축적되어(벽 두께 증가) 동기화가 상실되는 현상으로 나타났다.
2. 안정적 레짐의 디커플링: 안정적 작동 범위($V \le 30$ mm/s) 내에서, 세 가지 공정 매개변수는 특정 기하학적 양에 대해 거의 분리 가능한 효과를 보였다:
   • 이동 속도는 주로 층 높이를 결정한다.
   • 압출기 회전은 주로 벽 두께를 결정한다.
   • 노즐 온도는 주로 입방체 높이를 결정한다.
     이러한 디커플링은 완전한 다변량 최적화보다는 순차적인 캘리브레이션 접근 방식을 지원한다.
3. 재료별 열 민감도:
   • PLA-20 (섬유 20%): 150 °C에서 160 °C로 온도가 상승함에 따라 입방체 높이가 113.35 mm에서 77.59 mm로 급격히 감소하였으며, 이후 160 °C에서 180 °C 범위에서 높이가 비교적 안정적인 열적 플래토(plateau) 구간(77–83 mm)을 보였다.
   • PLA-10 (섬파 10%): 온도와 회전 사이의 결정적인 상호작용을 보였다. 낮은 회전 속도(3 rpm)에서 온도를 160 °C에서 180 °C로 높이면 입방체 높이가 급격히 붕괴(67.4% 감소)되었는데, 이는 낮은 용융 점도와 섬유 보강 부족으로 인한 벽면 결핍 때문이었다. 그러나 4 rpm에서는 PLA-10이 180 °C에서도 공칭 높이를 거의 유지하였으며, 이는 높은 재료 유량이 열적 점도 저하를 보완할 수 있음을 나타낸다.
4. 체계적인 층 높이 오버슈트: 모든 시편은 공칭 값인 0.5 mm를 초과하는 층 높이(0.55 ~ 1.86 mm)를 나타냈다. 이러한 체계적인 편차는 안정적 레짐 내에서 이동 속도와 강한 상관관계를 보였으며, 이는 슬라이서 설정보다는 운동학적 제어 및 다이 스웰(die swell)에 의해 지배됨을 시사한다.

예측 모델링
안정적 레짐 데이터를 바탕으로 2차 다항식 모델을 적합시켰다:

• PLA-20: 분리 가능한 이차 모델에 의해 잘 설명되었으며, 상호작용 항이 필요하지 않았다 ($R^2_{adj} = 0.68$).
• PLA-10: 저회전 시의 열적 붕괴를 정확하게 포착하기 위해 온도-회전 상호작용 항이 필요했다 ($R^2_{adj} = 0.91$). 상호작용 계수($a_5 = +2.43$ mm·°C⁻¹·rpm⁻¹)는 증가된 회전이 고온에 의한 높이 손실을 어떻게 상쇄하는지를 정량화한다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 목재 기반 PLA의 로봇 펠릿 압출에서 차원 정확도를 평가하기 위한 정량적 프레임워크를 구축했다고 주장한다. 주요 기여는 다음과 같다:

1. 운영 엔벨로프(Operating Envelope) 식별: 이 재료-시스템 조합에 대해 기하학적 충실도가 무너지는 상한선인 30 mm/s에서 안정적 레 regime의 경계를 정의하였다.
2. 디커플링된 제어 전략: 안정적 레짐 내에서 속도, 회전, 온도를 각각 층 높이, 벽 두께, 입방체 높이를 제어하기 위해 독립적으로 튜닝할 수 있음을 입증하였다. 이는 제안된 3단계 캘리브레이션 절차를 뒷받침한다.
3. 재료별 캘리브레이션: 매개변수 선택이 모든 목재 기반 PLA 등급에 대해 보편적일 수 없음을 강조하였다. 구체적으로, PLA-10은 열적 붕괴를 피하기 위해 결합된 온도-회전 전략이 필요한 반면, PLA-20은 열적으로 더 견고하다.

한례 및 향후 과제
본 논문은 다음과 같은 한계점을 명시적으로 언급하였다:

• 다항식 모델은 외부 검증 없이 작은 데이터셋($n=10$ per material)을 기반으로 하므로, 보고된 $R^2$ 값은 표본 외 예측 정확도가 아닌 훈련 적합도(training fit)를 반영한다.
• OFAT 설계는 표면 외삽을 통한 수치적 전역 최적값 추출을 방해한다.
• 캘리브레이션은 ABB IRB 1600/KFM Eco 3D 18 시스템 및 입방체 형상에 특화되어 있으며, 재캘리브레이션 없이는 계수가 다른 시스템으로 전이될 것으로 기대되지 않는다.
• 향후 과제로 외부 데이터를 통한 모델 검증과, 상호작용 효과를 더욱 엄밀하게 해결하기 위한 다중 매개변수 설계(예: 다구치 방법 또는 반응 표면법)의 필요성이 제시되었다.